高壓洗滌器氣液分離筒體失穩(wěn)原因分析及應(yīng)對措施

程 萍，謝鴻適

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

中國石油寧夏石化公司化肥三廠45/80 大化肥項(xiàng)目于2018 年4 月26 日一次投料成功，5 月9 日裝置全流程打通產(chǎn)出成品尿素。尿素裝置高壓系統(tǒng)的核心設(shè)備─高壓洗滌器，其作用是部分洗滌合成氣中的CO2與氨，然后將洗滌后的濃甲銨液經(jīng)高壓噴射器返回到高壓甲銨冷凝液器、尿素合成塔，繼續(xù)參與反應(yīng)。但是在運(yùn)行過程，自尿素投料以來，其尿素系統(tǒng)的出氣溫度嚴(yán)重超標(biāo)；高壓系統(tǒng)壓力超標(biāo)，沒有控制余量，低壓系統(tǒng)負(fù)荷不堪重負(fù)，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的運(yùn)行。于2018 年6 月8 日對洗滌器E3203 頂部人孔進(jìn)行拆除，發(fā)現(xiàn)上部防爆空間內(nèi)的筒體失穩(wěn)。

1 流程及設(shè)備簡述

1.1 工藝流程簡述

從合成塔出來的工藝氣，先進(jìn)入高壓洗滌器（E3203）上部的防爆空間，作為防爆的惰性氣體，然后從防爆空間出來通過自循環(huán)管線到達(dá)下部浸沒式冷凝器，與從中心管流下的甲銨液在底部混合。由于冷凝器充滿了甲銨液，氣體在列管內(nèi)鼓泡和甲銨液一起并行上流。氣體中的NH3和CO2大部分在這里被冷凝，冷凝和反應(yīng)放出的大量熱量被殼側(cè)的高壓調(diào)溫水帶走。

在下部浸沒式冷凝段未能冷凝的氣體，進(jìn)到中部的鼓泡段。經(jīng)鼓泡吸收后的氣體，含有少量的氨和二氧化碳送往第一吸收塔（C3201）。

從高壓洗滌器（E3203）上部空腔中部溢流處的甲銨液，其壓力與合成塔頂部的壓力相等。用高壓噴射器（J3201）將其引入較高壓力的甲銨冷凝器（E3202）（約高處0.3 MPa）。來自氨泵P3101A/B 的液氨，壓力約為18 MPa，進(jìn)入高壓噴射器，作為噴射動力源，將高壓洗滌器（E3203）來的甲銨送入甲銨冷凝器（E3202）內(nèi)。

1.2 設(shè)備簡介

高壓洗滌器（E3203）為立式列管式換熱器，由三部分組成：上部為預(yù)防爆炸而充以惰性氣體的空間，防爆空間，中部為鼓泡吸收段，下部為管式浸沒冷凝段。

換熱管總根數(shù)682 根，換熱面積286.6 m2，管程介質(zhì)為尿素、氨、二氧化碳、甲銨液等；殼程介質(zhì)為高壓調(diào)溫水（見表1）。

表1 換熱器技術(shù)參數(shù)表

2 故障現(xiàn)象

系統(tǒng)2018 年5 月28 日投料運(yùn)行60 h，發(fā)現(xiàn)高壓洗滌器下液溫度TI3219 偏高，在176 ℃左右（設(shè)計(jì)165 ℃），出氣溫度TI3215 偏高，在175 ℃左右，最高達(dá)到181 ℃（設(shè)計(jì)115 ℃），嚴(yán)重偏離指標(biāo)。高壓調(diào)溫水進(jìn)出口溫度投料后期無溫差、正常生產(chǎn)時溫差偏小，并且高壓調(diào)溫水溫度調(diào)整難度大。高壓系統(tǒng)壓力PI3205 偏高，75 %負(fù)荷下高壓系統(tǒng)壓力PI3205 在13.5 MPa 左右，高壓放空閥HV3205 閥位開度已達(dá)到100 %，沒有調(diào)節(jié)余量；C3201 液相溫度高達(dá)80 ℃（設(shè)計(jì)50 ℃）。

3 原因分析

從這些現(xiàn)象進(jìn)行分析，初步判斷高壓洗滌器設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)故障，利用停車時機(jī)對高壓洗滌器填料段、小人孔、中心降液管等內(nèi)部部件進(jìn)行檢查確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)件氣液分離段嚴(yán)重變形，防爆空間內(nèi)出液管線接口焊縫開裂。

3.1 工藝流程分析

變形主要集中在冷凝器上管口至冷凝液下液口之間的氣液分離段，說明分離段內(nèi)外出現(xiàn)壓差，導(dǎo)致分離段筒體嚴(yán)重失穩(wěn)（見圖1、圖2），其人孔變形（見圖3），下液管線管口焊縫開裂（見圖4），體現(xiàn)在工藝上就是大部分合成氣走短路，未經(jīng)冷凝段進(jìn)行冷凝直接進(jìn)入冷凝器上氣液分離空間，使E3203 下液溫度TI3219 偏高，排放尾氣溫度TI3215 偏高,高壓調(diào)溫水溫差小或無溫差。同時，由于高壓洗滌器未冷凝，造成高壓系統(tǒng)壓力偏高，致使高壓放空閥無法關(guān)小，HV3205 開度一直在100 %。

3.2 失穩(wěn)受力分析

原設(shè)計(jì)中，氣液分離筒體內(nèi)外無壓差，但是在實(shí)際運(yùn)行中內(nèi)外一旦形成較大的壓差就會對設(shè)備造成損傷：E3203 氣液分離筒體內(nèi)通過控制閥門泄壓到第一吸收塔，其壓力在0.35 MPa，而高壓合成塔送來的氣相則是高壓壓力，達(dá)到13.5 MPa；其下液管內(nèi)連接的是高壓噴射器，其HV3217 噴射形成的抽真空壓力也是高壓壓力；因此筒體在其內(nèi)外壓差下，導(dǎo)致了其失穩(wěn)；而筒體與出液管線是焊縫連接，筒體的失穩(wěn)必定牽引到下液管線，導(dǎo)致連接的焊縫受拉應(yīng)力作用開裂。

圖1 氣液分離段變形

圖2 筒體內(nèi)部變形情況

圖3 筒體上人孔變形

圖4 出液管線焊縫開裂

圖5 氣液分離段焊縫

圖6 下液罐焊縫

3.3 高壓洗滌器列管結(jié)晶

通過中控DCS 趨勢分析造成變形的主要原因由于裝置在沒有蒸汽的情況下封塔時間長（60 h），造成高壓洗滌器大部分中部鼓泡段的列管及中心下液管結(jié)晶，排塔結(jié)束后又未及時進(jìn)行熱煮沖洗，造成了原來的流程管路不暢，當(dāng)裝置投料后高壓放空閥HV3205 突然開大，而高壓噴射器HV3217 噴射形成的抽真空壓力較高，于是使得高壓洗滌器的氣液分離空間壓力降低，內(nèi)外形成壓差，導(dǎo)致氣液分離段嚴(yán)重變形。

4 措施

4.1 降低高壓洗滌器液位

在系統(tǒng)不同情況制定不同措施以控制高壓洗滌器的液位：運(yùn)行情況下，控制高壓噴射器HV3217 壓差小于2.0 MPa；在裝置低負(fù)荷（70 %）運(yùn)行時，控制高壓調(diào)溫水的進(jìn)口溫度TI3209 在120 ℃，裝置高負(fù)荷（80 %以上）運(yùn)行時控制高壓調(diào)溫水的進(jìn)口溫度TI3209 在110 ℃；隨高壓系統(tǒng)負(fù)荷的波動，及時調(diào)整高壓調(diào)溫水溫度，保證溫差正常，將氨預(yù)熱器控制液氨溫度在100 ℃～105 ℃。當(dāng)裝置在封塔停車后，高壓氨泵運(yùn)行一段時間將高壓洗滌器液位出液管液位LI3204 顯示為零時，再停運(yùn)，避免高壓洗滌器因溫度低而結(jié)晶。每次封塔必須打開高壓洗滌器排放，經(jīng)過排塔管線排放0.5 h以上，將高壓洗滌器液位排空。

4.2 提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)化率

優(yōu)化系統(tǒng)工況，提高高壓系統(tǒng)氨碳比在3.0～3.3，關(guān)小高壓放空閥和第一吸收塔放空閥位。

4.3 增設(shè)高壓洗滌器到高壓噴射器管線的鈷源液位計(jì)，監(jiān)控液位

利用技術(shù)改造將化肥二廠原有高壓洗滌器的鈷源進(jìn)行利舊，增加高壓洗滌器鈷源液位計(jì)。在高壓洗滌器到高壓噴射器管線增加鈷源液位計(jì)，這樣就能更好的判斷高壓洗滌器液位情況，不僅可以降低空塔開車置換時間，而且還能根據(jù)液位及時調(diào)整高壓就地放空，調(diào)整高壓系統(tǒng)壓力。

4.4 避免列管結(jié)晶措施

根據(jù)上述原因分析，針對停車過程中，高壓洗滌器列管結(jié)晶的可能，完善操作規(guī)程，在操作規(guī)程中增加操作注意事項(xiàng)。尤其是在高壓系統(tǒng)停車操作程序中增加應(yīng)對E3203 結(jié)晶的措施，對E3203 整體沖洗兩遍。如：在E3203 排放管線沖洗后，關(guān)閉第二道排放閥，向E3203 充液，待出液管線溫度測點(diǎn)TI3219 溫度發(fā)生明顯變化后停止充液，開第二道排放閥，排放E3203，排放10 min 后按同樣操作再充液排放一次，關(guān)閉第二道排放閥，向E3203 充液5 min 后停止充液。

4.5 制作新的套筒

按照設(shè)計(jì)要求，筒體的材質(zhì)為00Cr25Ni22Mo2 不銹鋼，厚度5 mm，焊接材料E25.22.2LMnB（原BM310Mo-L），所有焊縫采用全焊透結(jié)構(gòu)。重新制作的氣液分離筒體，利用檢修機(jī)會，重新安裝完成。

5 效果及驗(yàn)證

2019 年4 月，裝置進(jìn)入開車階段，鑒于之前發(fā)生過高壓洗滌器故障，崗位操作人員嚴(yán)格按照已定的操作規(guī)程進(jìn)行操作，尿素系統(tǒng)開車順利進(jìn)行，高壓系統(tǒng)壓力及高壓調(diào)溫水溫差均在控制范圍，截止8 月裝置完成了既定的生產(chǎn)任務(wù)。

在2019 年9 月停車檢修期間，對高壓洗滌器內(nèi)件進(jìn)行檢查，筒體封頭情況（見圖5），出液管線焊縫（見圖6）均完好無損，證明了上述原因分析是正確的，其整改措施針對高壓洗滌器上部防爆空間內(nèi)的氣液分離罐筒體變形是有效的且效果顯著。